Modelové vrstvy OSI a protokoly v počítačové síti

Co je to model OSI?

Jedno Model OSI (propojení otevřených systémů) je koncepční referenční model, který popisuje, jak se data pohybují mezi systémy v síti. Rozděluje komunikaci do sedmi oblastítract vrstev, z nichž každá má jasně definovanou odpovědnost a specifickou sadu protokolů. Model není implementován přesně tak, jak je nakreslen v reálných sítích – TCP/IP je protokolový zásobník, který je skutečně nasazen – ale vrstvy OSI zůstávají standardním slovníkem, který inženýři používají k uvažování o síťových problémech.

Charakteristika modelu OSI

• Vrstva se vytvoří pouze tam, kde je zřetelná úroveň abstracje potřeba.
• Funkce každé vrstvy je zvolena tak, aby odpovídala mezinárodně standardizovanému protokolu.
• Vrstvy by měly být dostatečně početné, aby oddělily jednotlivé aspekty, ale zároveň dostatečně malé, aby se zabránilo zbytečné složitosti.
• Každá vrstva se v oblasti primitivních služeb spoléhá na vrstvu bezprostředně pod ní a zpřístupňuje služby vrstvě bezprostředně nad ní.
• Změna uvnitř jedné vrstvy by neměla vyžadovat změny ve vrstvách nad ní nebo pod ní.

Proč používat model OSI?

• Poskytuje sdílenou slovní zásobu pro pochopení komunikace v síti.
• Usnadňuje řešení problémů oddělením funkcí do nezávislých síťových vrstev.
• Pomáhá inženýrům s využitím mapyping je do známých vrstev.
• Umožňuje porovnat funkční vztahy napříč různými protokolovými zásobníky.

Historie modelu OSI

• Pozdní čtyřicátá léta — ISO zahájila program definování obecných síťových standardů.
• 1973 — experimentální systém s přepínáním paketů ve Spojeném království zdůraznil potřebu protokolů vyšší úrovně.
• 1983 — model OSI byl poprvé publikován jako podrobná specifikace rozhraní.
• 1984 — ISO formálně přijala architekturu OSI jako mezinárodní standard (ISO 7498).

7 vrstev modelu OSI

Model OSI je vrstvená referenční architektura, ve které každá vrstva plní specifickou funkci. Sedm vrstev spolupracuje na doručování dat od odesílatele k příjemci.

• Horní vrstvy (Aplikace, Prezentace, Relace): zabývají se sémantikou aplikací a běží primárně v softwaru.
• Nižší vrstvy (transportní, síťová, datová linka, fyzická): zabývají se přenosem dat, paketizací, rámcováním a fyzickým médiem. Datové spojení a fyzické médium zahrnují také hardware.

Sedm vrstev, odshora dolů, je:

1. editaci videa
2. představení
3. Zasedání
4. DOPRAVA
5. Síť
6. Datové spojení
7. Fyzický

Diagram síťových vrstev.

Fyzická vrstva

Jedno Fyzická vrstva definuje elektrické, mechanické a fyzikální specifikace datového připojení. Přenáší nezpracované bity přes přenosové médium a nezáleží na protokolech ani sémantice vyšších vrstev. PRI (Primary Rate Interface) je jeden z telekomunikačních příkladů, který pracuje na této vrstvě – více se dozvíte v Výukový program PRI.

Mezi příklady hardwaru fyzické vrstvy patří síťové adaptéry, ethernetové kabely, opakovače a síťové rozbočovače.

Vrstva datového spojení

Jedno Vrstva datového spojení Detekuje a opravuje chyby, které se mohou vyskytnout na fyzické vrstvě, a spravuje protokol, který navazuje a ukončuje spojení mezi dvěma přímo propojenými zařízeními. Zakládá strukturované rámce pro nezpracované bity a zpracovává fyzické (MAC) adresování.

Datový spoj je rozdělen do dvou podvrstvy:

1. Řízení přístupu k médiím (MAC): řídí, jak zařízení získávají přístup ke sdílenému médiu a jak transmit data.
2. Řízení logických spojů (LLC): identifikuje a zapouzdřuje protokoly síťové vrstvy a detekuje chyby.

Důležité funkce datové linkové vrstvy

• Rámování: rozděluje data síťové vrstvy do rámců.
• Přidá hlavičku obsahující fyzickou (MAC) adresu zdroje a cíle.
• Zajišťuje doručování rámců typu hop-to-hop mezi sousedními zařízeními.
• Detekuje chyby a znovu vyžádá poškozené nebo ztracené snímky.
• Nabízí mechanismus pro procházení nezávislých sítí, které jsou vzájemně propojeny.

Síťová vrstva

Jedno Síťová vrstva poskytuje funkční a procedurální prostředky pro přenos datových sekvencí s proměnnou délkou mezi hostiteli umístěnými v různých sítích. Zajišťuje logické adresování (IP), směrování a přeposílání paketů.

Doručování na síťové vrstvě není ze své podstaty spolehlivé – tuto záruku zajišťuje transportní vrstva. Mezi protokoly správy vrstev na této vrstvě patří:

1. Směrovací protokoly (OSPF, BGP, RIP).
2. Správa skupin multicastu (IGMP).
3. Přiřazování adres na síťové vrstvě (DHCP).

Transportní vrstva

Jedno Transportní vrstva staví na síťové vrstvě a zajišťuje end-to-end přenos dat mezi procesy na zdrojových a cílových počítačích. Zachovává vlastnosti kvality služeb, jako je řazení, spolehlivost a řízení toku.

Transportní vrstva rozděluje zprávy vyšší vrstvy na segmenty, čísluje je a znovu je sestavuje u příjemce. Při použití spolehlivých protokolů, jako je TCP, zaručuje bezchybné doručení v pořadí, nebo při použití UDP akceptuje ztráty výměnou za rychlost.

Důležité funkce transportní vrstvy

• Segmentuje zprávu přijatou z vrstvy relace a očísluje každý segment.
• Doručí každý segment správnému procesu na cílovém počítači pomocí portů.
• Zajišťuje, aby celá zpráva dorazila bez chyby,transmitv případě potřeby.
• Řídí tok dat tak, aby rychlý odesílatel nezahltil pomalého příjemce.

Vrstva relace

Jedno Vrstva relace Řídí dialogy (relace) mezi dvěma počítači. Navazuje, spravuje a ukončuje logická spojení, v případě potřeby zpracovává ověřování a podporuje plně duplexní i poloduplexní dialogy. Nejčastěji se implementuje v prostředích, která používají vzdálená volání procedur.

Důležité funkce vrstvy relace

• Navazuje, udržuje a ukončuje relaci mezi dvěma systémy.
• Umožňuje oběma systémům vstoupit do řízeného dialogu.
• Přidá do datového proudu kontrolní body, aby se relace mohla po přerušení obnovit.

Prezentační vrstva

Jedno Prezentační vrstva definuje formát, ve kterém jsou data vyměňována mezi dvěma komunikujícími entitami, a zpracovává kompresi a šifrování. Někdy se mu říká syntaktická vrstva.

Funkce prezentační vrstvy

• Překlad znakové sady (například ASCII na EBCDIC).
• Komprese dat pro snížení počtu bitů na drátu.
• Šifrování dat – například TLS pro ochranu integrity a důvěrnosti datových dat.
• Poskytuje podporu formátů pro služby, jako je e-mail a přenos souborů.

Aplikační vrstva

Jedno Aplikační vrstva je vrstva nejblíže koncovému uživateli a jediná, která přímo interaguje s aplikacemi. Neobsahuje samotné aplikace – místo toho zpřístupňuje síťové služby, které aplikace používají.

Funkce aplikační vrstvy

• Identifikuje komunikační partnery, určuje dostupnost zdrojů a synchronizuje komunikaci.
• Umožňuje uživatelům přihlásit se ke vzdálenému hostiteli.
• Poskytuje e-mailové služby a přístup k adresářům.
• Nabízí distribuovaný přístup k databázi pro globální informace o objektech a službách.

Interakce mezi vrstvami modelu OSI

Informace odesílané z jedné počítačové aplikace do druhé protékají dolů vrstvami OSI na odesílateli, po drátu a zpět nahoru vrstvami na přijímači.

• Každá vrstva komunikuje s vrstvou nad ní, vrstvou pod ní a odpovídající vrstvou peer na vzdáleném systému.
• Na níže uvedeném diagramu komunikuje vrstva datového spojení prvního systému se síťovou a fyzickou vrstvou na stejném hostiteli a s vrstvou datového spojení vzdáleného systému.

Protokoly podporované na každé vrstvě OSI

vrstva	Jméno	Společné protokoly
Vrstva 7	editaci videa	SMTP, HTTP, HTTPS, FTP, POP3, SNMP, DNS
Vrstva 6	představení	MPEG, ASCII, SSL, TLS
Vrstva 5	Zasedání	NetBIOS, SAP, RPC
Vrstva 4	DOPRAVA	TCP, UDP, SCTP
Vrstva 3	Síť	IPv4, IPv6, ICMP, IPsec, ARP, MPLS
Vrstva 2	Datové spojení	Ethernet, PPP, Frame Relay, ATM, HDLC
Vrstva 1	Fyzický	RS-232, 100BaseTX, ISDN, IEEE 802.11 (fyzická signalizace)

Rozdíly mezi OSI a TCP/IP

Model OSI	Model TCP/IP
Poskytuje jasné rozlišení mezi rozhraními, službami a protokoly.	Nevytváří striktní hranici mezi službami, rozhraními a protokoly.
Má sedm vrstev.	Má čtyři vrstvy (aplikační, transportní, internetová, síťový přístup).
Používá pro směrování vyhrazenou síťovou vrstvu.	Používá jednu internetovou vrstvu, která kombinuje směrování a adresování.
Má oddělené vrstvy fyzického a datového spojení.	Spojuje fyzickou a datovou vrstvu do jedné vrstvy síťového přístupu.
Transportní vrstva je orientovaná na spojení.	Jedno TCP / IP Transportní vrstva je jak spojově orientovaná (TCP), tak bezspojová (UDP).
Minimální velikost záhlaví OSI je přibližně 5 bajtů.	Minimální velikost záhlaví TCP/IP je 20 bajtů.

Výhody modelu OSI

• Standardizuje routery, přepínače a další hardware podle jasně definovaných hranic vrstev.
• Snižuje složitost a standardizuje rozhraní.
• Usnadňuje modulární inženýrství – dodavatelé mohou inovovat v rámci jedné vrstvy, aniž by narušili ostatní.
• Zaručuje interoperabilitu technologií napříč dodavateli.
• Urychluje vývoj síťových protokolů.
• Poskytuje podporu pro spojově orientované i nespojované služby.
• Zůstává standardním referenčním modelem ve vzdělávání v oblasti počítačových sítí.
• Nabízí flexibilitu pro přizpůsobení se mnoha typům protokolů.

Nevýhody modelu OSI

• Vkládání protokolů z reálného světa do vrstev OSI může být zdlouhavé.
• Jedná se pouze o referenční model – nedefinuje konkrétní protokoly.
• Některé služby jsou duplikovány napříč vrstvami (například kontrola chyb v transportu a datovém spojení).
• Vrstvy nemohou běžet paralelně – každá z nich čeká na výstup předchozí vrstvy.

Nejčastější dotazy